Nghiên cứu các phương pháp tính toán và giải pháp giảm điện trở các vùng có điện trở suất cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Trung Phương NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ GIẢI PHÁP GIẢM ĐIỆN TRỞ CÁC VÙNG CÓ ĐIỆN TRỞ SUẤT CAO Chuyên ngành: Kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG Hà Nội – Năm 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực hiện, số liệu tính tốn sử dụng luận văn kết nghiên cứu hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, tháng năm 2012 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Trung Phương MỤC LỤC Trang Danh mục bảng Danh mục hình vẽ Lời mở đầu Chương 1: Tổng quan hệ thống nối đất trạm biến áp đường dây thuộc khu vực Truyền tải điện Quảng Ninh quản lý 1.1 Giới thiệu khái quát lưới điện thuộc khu vực Truyền tải điện Quảng Ninh quản lý 1.2 Các quy định, tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống nối đất 1.2.1 Nối đất thiết bị điện vùng đất có điện trở suất cao 1.2.2 Các quy định nối đất trạm biến áp 1.2.3 Các quy định nối đất cột đường dây không 1.3 Các phương pháp thường sử dụng để giảm điện trở nối đất 1.3.1 Lợi dụng vật tiếp đất tự nhiên có sẵn 1.3.2 Thay đất gốc có điện trở suất cao đất có điện trở suất thấp 1.3.3 Giảm điện trở suất đất muối ăn 1.3.4 Bổ sung thêm hệ thống tiếp đất 1.3.5 Sử dụng hóa chất để làm giảm điện trở suất cục 1.4 Nhận xét 10 Chương 2: Lựa chọn phương pháp tính trị số điện trở nối đất trạm biến áp 11 2.1 Giới thiệu phương pháp tính 11 2.1.1 Phương pháp tính tốn Nga 11 2.1.2 Phương pháp tính tốn Schwarz 16 2.2 Đánh giá lựu chọn phương pháp tính 21 2.2.1 Hê thống nối đất mạch vịng chưa có cọc nối đất 21 a Tính theo phương pháp Nga 21 b Tinh theo phương pháp Schwarz 22 2.2.2 Hệ thống nối đất mạch vịng có cọc nối đất chôn dọc theo chu vi 23 a Tính theo phương pháp Nga 23 b Tinh theo phương pháp Schwarz 24 2.2.3 Hệ thống nối đất lưới có cọc nối đất chơn dọc theo chu vi 26 a Tính theo phương pháp Nga 26 b Tinh theo phương pháp Schwarz 27 2.2.4 Nhận xét đánh giá phương pháp tính điện trở nối đất 29 2.3 Tính tốn điện trở nối đất theo phương pháp Schwarz cho thiết kế định hình mẫu Tổng Công ty điện lực Việt Nam 30 2.3.1 Tính trường hợp đất đồng 30 2.3.2 Tính trường hợp đất khơng đồng 34 2.3.3 Nhận xét thiết kế định hình trạm biến áp 36 2.4 Nối đất an toàn theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE80 37 2.4.1 Điện trở thể người 37 2.4.2 Phản ứng thể người dịng điện xoay chiều hình sin tần số công nghiệp 38 2.4.3 Tính điện áp bước điện áp tiếp xúc cho phép 39 2.4.4 Phương pháp trình tự tính tốn 44 2.4.5 Tính toán điện trở nối đất cho mẫu thiết kế định hình kiểu theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE 80 45 Chương 3: Biện pháp giảm điện trở cột điện đường dây vùng có điện trở suất cao 50 3.1 Tính tốn điện trở tiếp địa đường dây 220kV Tràng Bạch - Hoành Bồ 50 3.1.1 Tính tốn cho loại tiếp địa RS4x30-4 51 3.1.2 Tính tốn cho loại tiếp địa RS2x30-4 53 3.1.3 Nhận xét 54 3.2 Các biện pháp giảm điện trở cột đường dây 55 3.2.1 Giảm điện trở tiếp địa đường dây cách sử dụng tham bùn 55 a Hệ số k1 ảnh hưởng lớp đất bổ sung 56 b Các phương án sử dụng than bùn 58 3.2.2 Giảm điện trở tiếp địa cách sử dụng hoá chất Gem 60 3.2.3 Nhận xét 62 3.2.4 Tính tốn phương án giảm điện trở nối đất cột đường dây sử dụng than bùn hoá chất Gem 62 3.3 So sánh tiêu chống sét cho đường dây trước sau bổ sung tiếp địa cột điện 67 3.3.1 Số liệu tính tốn 67 3.3.2 Tính số lần sét đánh thẳng lên đường dây 68 3.3.3 Tính suất cắt đường dây 220kV sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây pha 68 3.3.4 Tính suất cắt đường dây 220kV sét đánh vào khoảng vượt 71 3.3.5 Tính suất cắt đường dây 22kV sét đánh vào đỉnh cột lân cận đỉnh cột 78 3.3.6 Tính tốn điện áp xuất cách điện pha A đường dây sét đánh vào đỉnh cột 87 3.3.7 So sánh suất cắt trước sau cải tạo hệ thống tiếp địa 94 Một số hình ảnh trình thi công cải tạo hệ thống tiếp địa cột điện 96 Tài liệu tham khảo 101 Phụ lục 103 MỞ ĐẦU Việt Nam nằm tâm dông châu Á, ba tâm giông giới có hoạt dộng giơng sét mạnh Mùa dông Việt Nam tương đối dài sớm kết thúc muộn Số ngày dông trung bình khoảng 100 ngày/năm số dơng trung bình 250 giờ/năm Trên hoạt động dơng tương đối mạnh có độ chênh lệch lớn mức độ hoạt động dơng vùng Có nơi có số dơng nhỏ Cam Ranh (55 giờ/năm), bên cạnh lại có khu vực đạt số dơng tới 489 giờ/năm A Lưới Có thể giải thích chênh lệch nhiều yếu tố khác có phân chia lãnh thổ dãy núi cao có hướng khác nhau, có tác dụng tăng cường hoạt động dơng vùng hạn chế hoạt động dông vùng khác Những vùng hoạt động dơng mạnh vùng có nhiễu động khí mạnh mẽ có địa hình thuận lợi cho việc hình thành dịng thăng Ngồi tác dụng có lợi dơng mang lại lượng nước mưa, khả cung cấp nitrat phóng điện sét đem lại cho nông nghiệp nguồn đạm phong phú, dơng sét cịn gây ảnh hưởng tiêu cực lên kinh tế xã hội Dơng gây lụt lội (những đợt dông front kéo dài), sét thường xuyên hiểm họa gây thiệt hại người Trong thập kỷ gần đây, nhiều cơng trình, đường dây tải điện, kho tàng, thiết bị ngành bưu viễn thông, thiết bị nghiên cứu khoa học, thiết bị điện tử bị sét đánh hỏng gây thiệt hại lớn; ngồi thiệt hại kinh tế, sét cịn gây thiệt hại người, gây tâm lý hoang mang số địa phương xã Cổ Dũng (Hải Dương), huyện Đông Anh (Hà Nội), Đồng sông Cửu Long.v.v… gây nên cố vận hành Hệ thống điện Trong lĩnh vực phòng chống sét hầu hết Việt Nam sử dụng thiết bị phòng chống sét nhập ngoại Nhiều loại máy móc thiết bị phịng chống sét tung thị trường Hiệu nhiều phương pháp cịn chưa rõ ràng, chí nhiều kết cịn đem lại hậu khơng mong muốn Nhiều cơng ty nước ngồi quảng cáo thiết bị với tài liệu kỹ thuật chứa đựng thông tin khơng tin cậy mang nhiều tính chất quảng cáo Quy phạm chống sét sử dụng có -1- điểm lạc hậu cần tiến hành rà soát sửa đổi, công tác tư vấn cần đẩy mạnh Trong thời gian qua có nhiều cơng trình nghiên cứu phân vùng mật độ sét lãnh thổ nước ta, việc lựa chọn đưa đồ sét ghi chi tiết để phục vụ cho công tác thiết kế bảo vệ đường dây tải điện trạm biến áp cần thiết quan trọng Công ty Truyền tải điện đơn vị thành viên Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia với nhiệm vụ quản lý vận hành lưới điện áp từ cấp 220kV đến 500kV Với địa bàn quản lý rộng Trong đường dây lại phần tử dài lưới điện nên thường bị sét đánh gây điện áp (q điện áp khí quyển) Q điện áp gây phóng điện tạo thành ngắn mạch làm cho máy cắt đường dây tác động, ảnh hưởng đến cung cấp điện liên tục lưới đến an toàn thiết bị điện khác trạm Việc bảo vệ đường dây đến mức an toàn tuyệt đối khơng thể thực vốn đầu tư vào đường dây lớn tăng cường cách điện đường dây đặt thiết bị bảo vệ chống sét… Do phương hướng đắn việc tính tốn mức độ bảo vệ chống sét đường dây phải xuất phát từ tiêu kinh tế, tức phải tìm phương thức bảo vệ đường dây cho tổn hao sét gây thấp Hiện số trạm biến áp đặc biệt tuyến đường dây qua đồi núi, rẻo cao có điện trở suất cao, trị số điện trở không đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn quy phạm hành Cơng ty Truyền tải điện có biện pháp xử lý bổ sung thêm hệ thống nối đất, hố than bùn, muối ăn, hóa chất GEM v.v… song chưa giải hoàn toàn Do việc nghiên cứu tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế áp dụng giải pháp xử lý hệ thống nối đất theo công nghệ vấn đề cần thiết Để giải vấn đề nêu đề tài “Nghiên cứu phương pháp tính tốn giải pháp để giảm điện trở tiếp địa vùng có điện trở suất cao” trình bày với nội dung sau đây: Tổng quan hệ thống nối đất trạm biến áp đường dây thuộc khu vực Truyền tải điện Quảng Ninh quản lý -2- Lựa chọn phương pháp tính trị số điện trở nối đất trạm biến áp Biện pháp giảm điện trở cột điện đường dây vùng có điện trở suất cao Để hoàn thành luận văn tơi xin bày tỏ lịng biết ơn hướng dẫn bảo tận tình thầy giáo Phó giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Đình Thắng, thầy giáo môn Hệ Thống Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trung tâm bồi dưỡng Đạo tạo sau đại học trường Đại học Bách khoa Hà Nội Do thời gian có hạn vấn đề nghiên cứu có liên quan đến nhiều lĩnh vực chưa hiểu biết nhiều nên luận văn nhiều hạn chế thiếu sót Tơi mong đóng góp ý kiến thầy cô, chuyên gia bạn bè đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Tác giả Nguyễn Trung Phương -3- CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT CÁC TRẠM BIẾN ÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY THUỘC KHU VỰC TRUYỀN TẢI ĐIỆN QUẢNG NINH QUẢN LÝ 1.1 Giới thiệu khái quát lưới điện thuộc khu vực truyền tải điện Quảng Ninh quản lý Hệ thống lưới truyền tải điện Việt Nam đóng vai trò quan trọng hệ thống điện Việt Nam Hiện Việt Nam mua điện từ Trung Quốc thơng qua 02 đường 110kV Móng Cái, 02 đường 220kV Hà Khẩu Tuyên Quang xuất sang nước bạn Lào Với hệ thống lưới điện rộng lớn, chủ yếu qua vùng đồi núi cao rẻo cao nên việc cố đường dây sét tránh khỏi, giảm suất cắt tiêu chí hàng đầu ổn định cung cấp điện cho hệ thống Để hạn chế điều người ta thường sử dụng chức tự động đóng lại đường dây sau cố thống qua giảm điện nối đất cho hệ thống, lắp đặt chống sét van cho đường dây, tăng chiều dài cách điện.v.v… Đối với vùng có điện trở suất đất cao người ta giảm điện trở nối đất cách bổ sung thêm hệ thống nối đất giảm điện trở cách giảm điện trở suất đất Truyền tải điện Quảng Ninh quản lý 01 trạm biến áp 500kV; 02 trạm biến áp 220kV; 92,4km đường dây 500kV mạch kép; 214km đường dây 220kV mạch kép 40km đường dây 220kV mạch đơn Ở trạm biến áp có cấp điện áp từ 220kV trở lên có kích thước lớn nên điện trở hệ thống nối đất hầu hết đạt tiêu chuẩn so với quy phạm Tuy nhiên tuyến đường dây 220kV lại chủ yếu qua vùng núi cao có điện trở suất lớn, nên việc làm giảm trị số điện trở tiếp địa cho cột đường dây tốn khó khăn đơn vị Công ty 1.2 Các quy định, tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống nối đất 1.2.1 Nối đất thiết bị điện vùng đất có điện trở suất cao a Đối với vùng có điện trở suất cao lớn 500m xác định vào thời gian bất lợi năm (đo vào mùa khô), để tiến hành trang bị nối đất nhân tạo ta sử dụng biện pháp sau đây, [7]: -4- - Tăng chiều dài cọc nối đất điện trở suất đất giảm theo độ sâu - Đặt điện cực nối đất kéo dài (có thể từ 1-2km) gần có chỗ điện trở suất thấp đất nhỏ - Cải tạo đất để làm giảm điện trở suất đất (dùng bột sét, bột bentơnít than chì v.v… trộn với chất phụ gia khác) b Đối với vùng đất đá lởm chởm có điện trở suất lơn 500m xác định vào thời gian bất lợi năm, việc nối đất thiết bị điện phải áp dụng biện pháp quy định điều I.7.41 tài liệu [7] Trong trường hợp sử dụng biện pháp không hợp lý phương diện kinh tế cho phép tăng trị số điện trở nối đất quy định quy phạm lên 0,001[] lần không lớn 5 1.2.2 Các quy định nối đất trạm biến áp a Bảo vệ chống sét đánh thẳng vào trạm biến áp thiết bị trời thường sử dụng kim chống sét bố trí cao cột pooctick cột đèn pha chiếu sáng coi cột chống sét b Dây chống sét đường dây tải điện khơng có điện áp 110kV trở lên thường nối vào kết cấu nối đất hệ thống phân phối trời (trạm biến áp) Dây chống sét đường dây không nối vào kết cấu nối đất hệ thống phân phối trời điện trở suất tương đương đất đo mùa sét đến 750m - không phụ thuộc vào diện tích mạch vịng dây nối đất trạm, lớn 750÷ 1000m diện tích mạch vịng nối đất trạm 10000m2 trở lên Dây chống sét đường dây khơng khơng cho phép kéo vào trạm dừng lại cột cuối đường dây Đoạn đường dây khơng cho vào trạm khơng có dây chống sét bảo vệ kim thu sét bố trí trạm, cột đường dây không gần đường dây không Chỗ nối dây nối đất kết cấu có kim thu sét hay dây thu sét vào hệ thống nối đất chung trạm phải cách chỗ nối máy biến áp (cuộn kháng) 15m tính theo vành đai nối đất c Trang bị nối đất thiết bị điện có điện áp lớn 1000V mạng điện có trung tính nối đất hiệu phải đảm bảo trị số điện trở nối đất trị số điện áp -5- ... G iá trị đ iện trở Điện trở suất 400(Ohm.m) Điện trở suất 500(Ohm.m) Điện trở suất 600(Ohm.m) Điện trở suất 700(Ohm.m) Điện trở suất 800(Ohm.m) Điện trở suất 900(Ohm.m) Điện trở suất 1000(Ohm.m)... suất 300(Ohm.m) Điện trở suất 400(Ohm.m) Điện trở suất 500(Ohm.m) Điện trở suất 600(Ohm.m) Điện trở suất 700(Ohm.m) Điện trở suất 800(Ohm.m) Điện trở suất 900(Ohm.m) Điện trở suất 1000(Ohm.m)... đất gốc có điện trở suất cao đất có điện trở suất thấp -7- Nếu lớp đất bề mặt có điện trở suất cao có độ dẫn điện có chiều dày khơng lớn (khoảng 20cm) việc giảm số tiếp địa áp dụng giải pháp sau: